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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Analog/Digitalwandler.
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Die Signalumwandlung eines Analogsignals in ein digitales Signal für die digitale Verarbeitung
bei niederenergetischen Anwendungen, wie z. B. bei Druckwandlern, wird normalerweise durch
einen Spannungs-Frequenzwandler (V/F-Wandler) bewerkstelligt. Kommerziell erhältliche A/D-
Wandler (Analog/Digitalwandler) werden wegen ihres übermäßigen Energieverbrauchs nicht
verwendet. Es gibt keine kommerziell erhältlichen integrierten Schaltkreise für die
Analog/Digitalumwandlung, welche eine genügend kleine Leistung bzw. Leistungsaufnahme haben, d. h.
weniger als 12 mW, um mit einer Stromschleife von 4-20 mA betrieben zu werden.
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Während V/F-Wandler durchaus verwendet werden können, sind sie doch relativ langsam in
ihrer Ansprechzeit und haben nur eine geringe Genauigkeit. Die langsame Umwandlung des
V/F-Konverters (Konverter: Wandler), resultiert aus dem Erfordernis eines Abzählintervalls,
welches zumindest solang ist, wie die Periode des Signals mit der niedrigsten Frequenz. Die
Ansprechzeit ist ein fester Wert, der von der Frequenz des Signals unabhängig ist. Dies
bedeutet, daß ein in Verbindung mit dem V/F-Wandler verwendeter Mikroprozessor während dieser
Umwandlungszeit beansprucht bzw. blockiert ist. Dies begrenzt das gesamte Ansprechen des
Druckwandlers (Druckmeßfühlers). Bezüglich der Genauigkeit hat ein mäßig genauer V/F-
Schaltkreis einen Genauigkeitsbereich von etwa 0,4% bis 0,1%. Um einen hoch präzisen V/F-
Schaltkreis mit einem Genauigkeitsbereich von 0,03% bis 0,01% zu erhalten, sind zusätzliche
Komponenten erforderlich, die zu einem höheren Energieverbrauch und zu höheren Kosten
führen.
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Ein Wandler, der mit einer niedrigen Verbrauchsleistung und mit hoher Genauigkeit arbeitet,
wäre insbesondere zweckmäßig für eine Zweidrahtstromschleife mit 4 bis 20 mA.
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Zweidrahtanalogübertragungssysteme bzw- Wandler sind bekannt. Solche Systeme weisen
einen Übertrager auf, der mit einer Stromversorgung über zwei Drähte verbunden ist, die eine
Stromschleife bilden. Der Übertrager weist als eines seiner Merkmale einen Wandler auf, der
einen Zustand, wie z. B. einen Druck oder die Temperatur erfaßt. Diese Bedingung bzw. dieser
Zustand ist als Prozeßvariable (PV) bekannt.
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Die Stromversorgung ist an die beiden Drähte angeschlossen, um die Stromschleife zu
schließen. Weiterhin ist es bekannt, einen Widerstand in der Stromschleife vorzusehen. Der
Übertrager
verstärkt das Signal von seinem Wandler und sein verstärktes Signal wird verwendet, um
einen gewissen Strom aus der Stromquelle zu ziehen, der proportional zu der Prozeßvariablen
ist oder in einer anderen Verknüpfung zu dieser steht. Es ist auch bekannt, einen Strom von
einem Minimalwert von 4 mA bis zu einem Maximalwert von 20 mA zu ziehen. Der Strom
zwischen 4 und 20 mA tritt durch den Widerstand hindurch, um einen Spannungsabfall über
dem Widerstand hervorzurufen. Dieser Spannungsabfall kann gemessen werden, um einen
Wert für die Prozeßvariable zu ergeben.
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Es versteht sich, daß der minimale 4 mA-Strom erforderlich ist, um den Schaltkreis des
Übertragers einzuschalten bzw. mit Energie zu versorgen. Jeglicher Überschußstrom über diesen 4
mA-Wert hinaus wird als ein Wert angesehen, der für das Festlegen der Prozeßvariablen
verwendet werden kann.
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Es ist bekannt, daß solche 4-20 mA Zweidrahtsysteme eine Genauigkeit haben, die
bestenfalls auf etwa 0,1% begrenzt ist. Diese Systeme arbeiten im wesentlichen auch nur in einer
Richtung, wobei der Übertrager im wesentlichen ungesteuert ist und kontinuierlich überträgt.
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Das US-Patent Nr. US-A-3,414,898 offenbart einen Wandler zum Umwandeln eines
Analogsignales in eine Reihe von Impulsen, wobei der Wandler aufweist:
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einen ersten Kondensator, der so angeschlossen werden kann, daß er ein analoges Signal
empfängt, um auf ein Ladungsniveau aufgeladen zu werden, welches dem Niveau bzw. Wert
des Analogsignales entspricht bzw. gleich ist;
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einen Ausgangsschaltkreis, der mit dem ersten Kondensator verbindbar ist, wobei der
Ausgangsschaltkreis einen zweiten Kondensator und eine Konstantstromquelle aufweist, um den
zweiten Kondensator zu entladen;
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eine Schalteinrichtung, um das Analogsignal und den Ausgangsschaltkreis zu einem Zeitpunkt
mit dem ersten Kondensator zu verbinden, um den ersten Kondensator auf sein Ladungsniveau
aufzuladen und um die Ladung von dem ersten Kondensator auf den zweiten Kondensator zu
übertragen, um so den zweiten Kondensator in den Stand zu versetzen, daß er später von der
Konstantstromquelle während einer Entladephase entladen werden kann;
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eine Impulserzeugungseinrichtung, welche mit dem Ausgangsschaltkreis verbunden ist, um
einen Impuls zu erzeugen, der eine Zeitdauer hat, welche gleich der Dauer der Entladung (der
Entladephase) ist, wobei die Pulserzeugungseinrichtung einen Multivibrator aufweist, der auf
einen Zeitpunkt eingestellt ist, welcher der Ladungsüberführung zu dem zweiten Kondensator
folgt, um den Impuls zu starten, welcher auf ein Gatter gegeben wird, um den Entladevorgang
des zweiten Kondensators zu ermöglichen, bzw. ingangzusetzen, sowie einen Trägerschaltkreis
(Auslöseschaltkreis), der darauf anspricht, daß die Entladung ein vorbestimmtes Niveau erreicht
hat, um den Multivibrator zurückzustellen, wodurch der Impuls beendet wird, und
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ein weiteres Gatter, welches während des Impulses geöffnet wird, um Impulse von einem
Oszillator zu einem Zähler durchzulassen, wobei die Impulse aus dem Oszillator die erwähnte
Serie von Impulsen bilden.
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Gemäß der Erfindung ist ein Wandler zum Umwandeln eines Paares von Analogsignalen in
einen Impuls vorgesehen, wobei der Wandler aufweist:
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einen Kondensator;
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einen Eingangsschaltkreis, welcher ein Paar von Verstärkern aufweist, die miteinander
verbunden sind, um einen Differenzverstärker mit hoher Impedanz zu bilden, um die Analogsignale
zu empfangen und um ein Differenzsignal an einem Paar von Ausgängen zu erzeugen, und der
ein Paar von Schaltern aufweist, um die Ausgänge des Differenzverstärkers mit hoher
Impedanz an den Kondensator anzuschließen, um den Kondensator auf ein Niveau aufzuladen,
welches proportional zu dem Differenzsignal ist;
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einen Ausgangsschaltkreis einschließlich einer Konstantstromquelle sowie ein zweites Paar von
Schaltern für die Verbindung der Konstantstromquelle mit dem Kondensator, um den
Kondensator während einer Entladephase von seinem Ladungsniveau auf ein ausgewähltes niedriges
Niveau zu entladen;
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eine Schaltsteuereinrichtung, welche so angeordnet ist, daß sie die ersten und zweiten Paare
von Schaltern betätigt, so daß die Ausgänge des Differenzverstärkers mit hoher Impedanz
einerseits und die Konstantstromquelle andererseits einzeln nacheinander mit dem
Kondensator verbunden werden, um den Kondensator auf sein Ladungsniveau aufzuladen und um ihn
auf das ausgewählte niedrige Niveau zu entladen, wobei die Schaltsteuereinrichtung so
betreibbar ist, daß sie den Kondensator während einer ausreichenden Zeit mit dem
Differenzverstärker mit hoher Impedanz verbindet, um das Ladungsniveau zu erreichen und um den
Kondensator mit der Konstantstromquelle für eine Zeitdauer zu verbinden, die länger ist als der
Zeitabschnitt bzw. die Dauer der Entladung, und
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eine Impulserzeugungseinrichtung, welche mit dem Ausgangsschaltkreis verbunden ist, um
einen Impuls zu erzeugen, der eine Zeitdauer hat, welche gleich dem Zeitabschnitt für das
Entladen ist.
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Eine bevorzugte Form des Wandlers, welcher die vorliegende Erfindung verwirklicht und welche
im folgenden beschrieben wird, macht von einem Spannungs-zu-Impuls (V/P)-Prinzip
Gebrauch, welches mit weniger als 3 mW Leistung arbeitet. Die Impulsdauer eines
Ausgangssignals von dem Wandler ist proportional zu einem analogen Eingangssignal. Die Umwandlungszeit
und Genauigkeit des V/P-Konverters, mit einem Minimum an Bauelementen für eine
geringe Energiedissipation (geringe Leistungsverluste) stellt eine Verbesserung gegenüber
bekannten V/P-Konvertern dar. Weitere Verbesserungen bezüglich der Genauigkeit und
Umwandlungszeit erhält man unter Verwendung einer Selbsteinstellung des Eingangs bzw. des
Eingangsbereiches (Auto-Ranging). Durch Verwendung einer derartigen V/P-Technik wird ein
zugehöriger Mikroprozessor nur während der Zeitdauer des Impulses in Anspruch genommen
bzw. blockiert. Der niedrige Energieverbrauch ist ein Ergebnis der minimalen Anzahl von
Bauteilen, die benötigt werden, um den V/P-Schaltkreis zu verwirklichen, sowie der Verwendung
von integrierten Schaltkreisen geringer Leistung. Selbst mit dieser minimalen Bauteilezahl ist
die im Durchschnitt getestete Genauigkeit des V/P-Schaltkreises 0,03 %. Der bevorzugte
Spannungs-/Impulskonverter hat einen geringen Energieverbrauch, eine hohe Genauigkeit und ist
einfach in seiner Ausgestaltung, robust im Aufbau und wirtschaftlich herzustellen.
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Die Erfindung wird jetzt weiter beschrieben anhand eines veranschaulichenden und nicht
einschränkenden Beispieles unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Spannungs-/Impulskonverters, welcher
die Erfindung verwirklicht,
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Fig. 2 eine graphische Darstellung, die einen Impulszug zeigt, welcher von dem
Konverter bzw. Wandler erzeugt werden kann,
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Fig. 3 eine graphische Darstellung ähnlich der Fig. 2, welche einen Impuls zeigt, der
einen anderen Arbeitszyklus bzw. eine andere Einschaltdauer hat, welche von
dem Wandler erzeugt werden kann, wenn er ein unterschiedliches kleineres
Analogsignal empfängt, und
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Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm, welches einen weiteren Wandler zeigt,
welcher die vorliegende Erfindung verwirklicht.
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Fig. 1 zeigt einen Spannungs-/Impulskonverter, der einen Schaltkondensator 10 aufweist,
welcher wahlweise mit einem Eingangsschaltkreis 12 und einem Ausgangsschaltkreis 14
verbindbar ist. Ein Sensor 16, wie z. B. ein differenzieller Dehnungsmeßwandler, hat ein Paar von
Ausgängen bei 18 und 20, an denen verschiedene analoge Spannungen anliegen, welche
einem Druckunterschied entsprechen, der von dem Sensor 16 gemessen wird. Jeder Ausgang
18,20 ist mit einem zugehörigen Operationsverstärker 22 und 23 verbunden, wobei diese
Verstärker so miteinander verbunden sind, daß sie einen Differenzverstärker mit hoher
Impedanz bilden. Zusätzlich zu den Verstärkern 22 und 23 weist der Eingangsschaltkreis 12 ein
Paar von elektronischen Eingangsschaltern 24 und 25 auf, die durch ein Signal auf der Leitung
26 gleichzeitig geschlossen werden können. Durch Anlegen bzw. Aufbringen eines passenden
logischen Signals an der bzw. auf die Leitung 26 werden beide Schalter 24 und 25
geschlossen. Das Analogsignal auf den Leitungen 18 und 20 wird damit über die Operationsverstärker
an den Schaltkondensator 10 angelegt. Solange die Schalter 24,25 für eine genügend lange
Ladedauer geschlossen sind, wird der Kondensator 10 auf einen Wert geladen, welcher
proportional zu dem Differenzsignal auf den Leitungen 18 und 20 ist.
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Der Ausgangsschaltkreis 14 weist ein Paar von Ausgangsschaltern 34 und 35 auf, die über die
Leitung 36 gleichzeitig geschlossen werden können. Die Leitung 36 ist mit dem Ausgang eines
Inverters 40 verbunden. Eine Leitung 42 ist mit einem Eingang des Inverters 40 verbunden und
auch direkt mit der Leitung 26. Auf diese Weise bewirkt ein hohes Signal bzw. eine logische 1,
die an der Leitung 42 anliegt, daß die Schalter 24,25 geschlossen werden, während die
Schalter 34,35 offengehalten werden. Umgekehrt sind, wenn ein niedriges Signal bzw. eine logische
0 auf der Leitung 42 liegt, die Schalter 24,25 offen und die Schalter 34,35 sind geschlossen.
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Der Ausgangsschaltkreis 14 weist eine Konstantstromzufuhr oder -quelle 44 auf, welche
bewirkt, wenn die Schalter 34,35 geschlossen sind, daß sich der Schaltkondensator 10 mit einer
festen Rate bzw. Geschwindigkeit entlädt. Die Zeit, die der Kondensator 10 für das Entladen
aus dem geladenen Niveau auf ein ausgewähltes Entladeniveau bzw. Niedrigstniveau benötigt,
wird benutzt, um einen Impuls zu erzeugen, der eine Breite hat, die gleich dieser Entladedauer
bzw. Entladephase ist. Der Impuls wird durch einen Komparator 46 erzeugt, welcher in Form
eines Differenzverstärkers vorliegen kann, der einen positiven (nicht invertierenden) Eingang
hat, welcher mit einer Seite des Kondensators 10 verbunden ist, und einen negativen
(invertierenden) Eingang hat, der mit einem Anschluß B verbunden ist. Der Anschluß B nimmt eine
Auslösespannung auf, welche den Wert festlegt, bei welchem der Komparator 46 ein
Ausgangssignal an einem Ausgangsanschluß A ausgibt.
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Die Entladezeit für den Kondensator 10 kann auch durch die Verwendung einer Vorspannung
modifiziert werden, welche an einem Anschluß C eines Verstärkers 48 angelegt wird. Der
Anschluß C kann als Referenz und als automatische Bereichseinstellung (Auto-Ranging)
verwendet werden, um Faktoren bzw. Einflüsse zu kompensieren, welche eine Drift des Sensors 16
verursachen könnten, wie z. B. die Temperatur- und andere Druckbedingungen.
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Die Anschlüsse A, B und C sind mit einem Mikroprozessor 50 verbunden, der mit einem
Taktgeber 52 verbunden ist. Mit Hilfe des Taktgebers 52 (Clock), gibt der Mikroprozessor 50
Signale auf die Leitung 42. Auf diese Weise können Impulszüge, die ähnlich denen der in den
Figuren 2 und 3 dargestellten sind, erzeugt werden. Sowohl die Fig. 2 als auch die Fig. 3 zeigen
eine Pulsbreite oder eine Pulsfolge von 80 ms. Dabei wird immer angenommen, daß die Breite
der Pulse zumindest so groß ist wie die maximale Zeit, die der Kondensator 10 benötigt, um
vollständig auf sein Ladeniveau aufgeladen zu werden und um vollständig auf das ausgewählte
niedrige Niveau entladen zu werden.
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Fig. 2 zeigt ein Beispiel, bei welchem der erzeugte Impuls in einer Hälfte der Pulszugperiode
an ist. Dabei wird angenommen, daß der Kondensator 10 schon durch das Differenzsignal auf
den Leitungen 18 und 20 auf sein Ladeniveau aufgeladen ist. Zur Zeit t = 0 wird angenommen,
daß der Mikroprozessor 50 ein "logisch 0"-Signal auf der Leitung 42 erzeugt. Dies schließt die
Schalter 34,35 und öffnet die Schalter 24,25. Der Kondensator 10 beginnt dann sofort, sich zu
entladen über die Konstantstromquelle 44. Solange diese Entladung stattfindet, gibt der
Komparator 46 ein Spannungssignal auf hohem Niveau aus, welches in Fig. 2 mit 5 Volt
angegeben ist. Dieses bleibt für 40 ms in dem ersten Impuls erhalten, woraufhin das Niveau am
positiven Eingang des Komparators 46 gleich der Auslösespannung wird, die von dem
Mikroprozessor 50 an dem Anschluß B angelegt wird. In diesem Punkt fällt der Ausgang des Komparators
46 auf 0 ab, wie in Fig. 2 dargestellt. Sobald der Mikroprozessor 50 über seinen
Eingangsanschluß A erfaßt, daß der Impuls auf 0 abgefallen ist, kann er unmittelbar ein Signal "logisch
1" auf der Leitung 42 erzeugen, um die Schalter 24,25 zu schließen und die Schalter 34,35 zu
öffnen. Wahlweise kann auch ein beliebiger Zeitabschnitt gewählt werden, welcher dafür sorgt
bzw. bei welchem man davon ausgeht, daß ausreichend Zeit für die Entladung des
Kondensators 10 bereitgestellt worden ist. Genügend Zeit muß für den Kondensator 10 auch
bereitgestellt werden, damit er wieder durch das Differenzsignal auf den Leitungen 18 und 20 auf sein
Ladeniveau aufgeladen wird, so daß bei t = 80 ms ein neuer Impuls erzeugt werden kann.
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Fig. 3 stellt den Fall dar, in welchem ein niedrigeres Differenzsignal auf den Leitungen 18 und
20 liegt, und damit eine entsprechend kürzere Puls- bzw. Impulsbreite (erzeugt wird).
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Der oben beschriebene Wandler ermöglicht es also, Impulse zu erzeugen, die ein variables
Tastverhältnis (relative Einschaltdauer) haben, welches eine digitale Darstellung bzw.
Wiedergabe des Analogsignales ist.
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Wandler, welche Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung sind, können mit einer
4-20 mA Stromschleife betrieben werden, wobei der maximale Leistungsverbrauch auf 48 mW
beschränkt ist. Wie in Fig. 4 dargestellt, welche eine weitere Ausführungsform der Erfindung
veranschaulicht, wird ein differenzieller Eingangsmultiplexer 60 mit einer Vielzahl von
Eingängen 62 von einer Vielzahl von Wandlern verwendet, ebenso wie eine Mehrzahl von Eingängen
64, welche für die automatische Bereichswahl verwendet werden können. Die vier Eingänge
des Multiplexers 60 können den Wandlereingängen 62 und vier andere Eingänge können den
Eingängen 64 überlassen werden. Der Multiplexer 60 wählt nacheinander einen der acht
verfügbaren Eingänge jeweils für die Verstärker 22 und 23 des Eingangsschaltkreises 12 aus. In
Fig.
4 werden dieselben Bezugszahlen verwendet, um dieselben oder ähnliche Teile wie in
Fig. 1 zu bezeichnen.
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Der Multiplexer 60 wird durch den Mikroprozessor 50 gesteuert. Die Schalter 24,25 und 34, 35
werden ebenfalls durch den Mikroprozessor 50 gesteuert, wobei die Auslösung durch den
Taktgeber 52 bereitgestellt wird, um den Kondensator 10 zu laden und zu entladen. Der
Kornparator 46 erzeugt Ausgangsimpulse, während der Verstärker 48 das Referenzsignal für die
automatische Bereichseinstellung bzw. Bereichswahl verarbeitet.
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Ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird eine Konstantstromzufuhr oder
-quelle 44 verwendet, um den Kondensator 10 mit einer konstanten Geschwindigkeit zu entladen,
um das Tastverhältnis für die Ausgangsimpulse bereitzustellen.